Čo je to Diracova tekutina – a prečo na tom záleží

Keď elektróny prestanú byť časticami

Vo väčšine kovov sa elektróny odrážajú cez mriežku atómov ako guľôčky v pinballe, rozptyľujúc sa na nečistotách a vibráciách. Tento chaotický pohyb je základom elektrického odporu a dôvodom, prečo sa drôty zahrievajú, keď nimi preteká prúd. Ale v graféne – vrstve uhlíka hrubej len jeden atóm – fyzici objavili podmienky, za ktorých sa elektróny vzdávajú svojej individuality a pohybujú sa spoločne ako kvapalina. A nie len tak hocijaká kvapalina: taká s viskozitou tak nízkou, že konkuruje najexotickejšej tekutine v známom vesmíre.

Vedci tento stav nazývajú Diracova tekutina a prepisuje to, ako fyzici premýšľajú o elektrickom transporte, kvantovej hmote a dokonca aj o spojení medzi experimentom na stole a následkami Veľkého tresku.

Ako sa elektróny stávajú tekutinou

Kľúčom je neobvyklá elektronická štruktúra grafénu. Jeho elektróny sa riadia Diracovou rovnicou, rovnakým matematickým rámcom, ktorý opisuje nerelativistické častice bez hmotnosti. V špeciálnom bode nazývanom bod nábojovej neutrality (alebo Diracov bod) sa materiál nachádza na hrane medzi kovom a izolantom. Rovnaké populácie elektrónov a dier koexistujú a interagujú tak silno, že sa uzamknú do kolektívneho pohybu.

Namiesto toho, aby sa častice rozptyľovali nezávisle od defektov, zrážajú sa navzájom oveľa častejšie ako s čímkoľvek iným. Tieto časté vzájomné zrážky prerozdeľujú hybnosť medzi časticami a roj sa začína riadiť Navier-Stokesovými rovnicami – rovnakými hydrodynamickými zákonmi, ktoré riadia vodu prúdiacu potrubím.

Výskumníci z Weizmannovho inštitútu vied priamo zobrazili toto správanie skenovaním tranzistora z uhlíkových nanorúrok cez grafénový kanál. Pri teplotách medzi 75 a 150 Kelvinov vykazoval tok elektrónov parabolický profil charakteristický pre Poiseuilleov tok – charakteristický znak viskóznej tekutiny, nie bežného vodiča.

Porušenie Wiedemann-Franzovho zákona

Jeden z najvýraznejších dôsledkov sa týka pravidla, ktorému fyzici dôverujú od roku 1853. Wiedemann-Franzov zákon hovorí, že v kove elektrická a tepelná vodivosť stúpajú a klesajú spoločne v pevnom pomere. Diracova tekutina to popiera: keď sa elektrická vodivosť zvyšuje, tepelná vodivosť klesá a naopak.

Tím vedený Arindamom Ghoshom z Indického inštitútu vied nameral odchýlky presahujúce 200-násobok očakávanej hodnoty pri nízkych teplotách. „Keďže sa toto správanie podobné vode nachádza v blízkosti Diracovho bodu, nazýva sa Diracova tekutina – exotický stav hmoty, ktorý napodobňuje kvark-gluónovú plazmu,“ vysvetlil prvý autor Aniket Majumdar.

Veľký tresk na stole

Kvark-gluónová plazma je prvotná polievka, ktorá naplnila vesmír mikrosekundy po Veľkom tresku. Na jej opätovné vytvorenie sú potrebné urýchľovače častíc, ktoré rozbíjajú ťažké ióny takmer rýchlosťou svetla. Diracova tekutina v graféne však zdieľa charakteristickú vlastnosť: obe sú takmer dokonalé tekutiny, čo znamená, že ich viskozita sa blíži k najnižšej hodnote, ktorú kvantová mechanika umožňuje.

Toto spojenie umožňuje fyzikom kondenzovanej hmoty študovať relativistickú hydrodynamiku – zvyčajne doménu fyziky vysokých energií – na vzorke veľkosti čipu pri dostupných teplotách. Spája dve oblasti, ktoré sa zriedka prekrývajú, a ponúka spôsob, ako testovať teoretické predpovede o silne viazaných kvantových systémoch bez miliardových urýchľovačov.

Prečo na tom záleží aj mimo laboratória

Pochopenie hydrodynamiky elektrónov má praktické dôsledky. Keď elektróny prúdia kolektívne namiesto toho, aby sa rozptyľovali náhodne, môžu prenášať prúd s výrazne menším rozptylom. Medzi potenciálne aplikácie patria:

• Ultra-citlivé kvantové senzory, ktoré zosilňujú slabé elektrické signály a detekujú slabé magnetické polia
• Elektronické zariadenia s nízkym rozptylom, ktoré využívajú viskózne prúdenie na zníženie straty energie
• Nové sondy pre exotické materiály, ako je skrútený dvojvrstvový grafén a vysokoteplotné supravodiče, kde hydrodynamické správanie môže obsahovať kľúče k nevyriešeným hádankám

Diracova tekutina tiež poskytuje výskumníkom kontrolované laboratórium na skúmanie javov spojených s termodynamikou čiernych dier a kvantovou kritickosťou – otázky, ktoré sa nachádzajú na hranici základnej fyziky.

Širší kontext

Fyzici desaťročia považovali elektróny v pevných látkach za nezávislé častice odrážajúce sa cez mriežku. Diracova tekutina tento obraz prevracia. Ukazuje, že za správnych podmienok produkuje kvantový svet kolektívne stavy, ktorých správanie odráža niektoré z najextrémnejších prostredí v prírode – od neutrónových hviezd až po prvý okamih kozmickej histórie – všetko vo vnútri vločky uhlíka tenšej ako vlnová dĺžka svetla.